Les mousses d aluminium CTIF

Elaboration de structures alvéolaires en alliage d aluminium par voie fonderie Les mousses d aluminium CTIF Y. Gaillard, M. Fleuriot, P. Hairy, C. Macke, P. Priot, A. Chabod, M. De Sousa Y. Gaillard Octobre 2006

Plan de la présentation Introduction les différentes technologies de fabrication de mousses (Structures, applications fabrication ) Les mousses CTIF Le procédé Simulation numérique Applications des mousses d aluminium Divers procédés Mousses CTIF Coûts Caractérisation des mousses Densité Structure de la mousse Tests de compression (avec et sans renfort) Prédiction de comportement Calculs de structure Conclusions

Propriétés des matériaux cellulaires Mousse CTIF Cellule taille et forme) Parois (épaisseurs) Taille (0,1 à 10 mm ) Ouverte Forme Cellule Type structure Classement matériaux cellulaires Matériau Variabilité périodique ou aléatoire? Densité relative 0,3 à 0,4 Fermée Composite? 0,01 à 1

Exemples de structures cellulaires Structure Structure ouverte ouverte Périodique Périodique Structure ouverte Structure Structure aléatoire ouverte fermée Structure fermée (éponge) aléatoire (mousse) aléatoire Mousse (éponge) CTIF (mousse) 5mm Sources: Advanced Engineering materials 2002

Applications industrielles potentielles Acoustique & Vibratoire Nombreuses applications possibles Thermique (isolation, transfert) Absorption Traverse sous planche de bord et padding genoux Automobile, Aéronautique Absorption d énergie (chocs) Sécurité passive Crash box et traverse danner Montants B Sources: Fonderie Fondeur d Aujourd hui N 221 Janvier 2003 Caisse Laguna 2 Estate

Fabrication de mousse d aluminium gaz 2 principes distincts pour obtenir la cellule Les 3 états de la matière sont utilisés préforme Liquide Solide Gazeux Gazeux Moulage et solidification Modèle perdu (mousse polymère, cire, prototypage rapide) Infiltration CTIF Moussage et solidification Bullage d un gaz Décomposition de particules (TiH 2 ) générant un gaz Assemblages Sphères creuses Métal déployé (embouti + faces collées ou brasées) Tissus métalliques Métallurgie des poudres Mélange de poudres (TiH 2 +alliage) et moussage Composite sphères creuses Condensation de vapeurs métalliques sur mousse en polymère puis destruction du polymère par la chaleur (PVD, CVD)

Positionnement de la mousse CTIF / Existant Cible Mise en œuvre par voie de fonderie Intégration de fonctions (fixation, centrages,..) Applicable aux procédés de fonderie classiques limiter coûts Répétabilité de la forme & taille de cellules Principe infiltrer des précurseurs par l alliage liquide 3 étapes de base Etape 1 Réalisation des précurseurs Etape 2 Moulage mise en place des précurseurs Coulée (infiltration par l alliage liquide) Etape 3 Elimination des précurseurs mousse

Procédé CTIF de fabrication de mousse 1 Fabrication du moule 2 Mise en place des précurseurs 3 coulée de l alliage liquide 4 élimination des précurseurs (récupération de la mousse d aluminium)

Précurseurs Forme Forme Sphère meilleur empilage possible Maîtrise des précurseurs Taille Ø5 mm Taille 3 diamètres Ø 15 mm Ø 10 mm

Moulage Choix Matériaux et technologies conventionnels Economie Faciliter le transfert technologique Moulage gravité Sable Coquille Moulage pression Sous pression Basse pression Alliages de fonderie traditionnels (aucun produit additionnel MMC ) Avantages La solution CTIF permet Le recyclage des mousses d aluminium produites Un coût standard de la matière mise en œuvre Finition de la pièce produite avec des outils classiques (sciage, usinage, etc.)

1er Prototype CTIF en mousse d aluminium (2004) Dimensions conséquentes 490x290x35 mm Montage direct Zones Usinées Zones moulées Brides, Nervures, Evidements Etape ultérieure : comment réaliser une peau de pièce?

Réalisation de peau sur mousse d aluminium CTIF 2 solutions Solution 1 Réalisation d un noyau mousse puis surmoulage Solution 2 Moulage sur précurseurs agglomérés

Réalisation de peau sur mousse d aluminium CTIF Solution 2 nécessité d agglomérer les précurseurs Peau Noyau Eprouvette cylindrique Exemple sur éprouvette (précurseurs de 10 mm)

Réalisation de peau sur mousse d aluminium CTIF Exemple de réalisation On obtient une bonne homogénéité entre mousse et toiles d aluminium Exemple sur pièce prototype (précurseurs de 10 mm)

Maîtrise des paramètres du procédé Adaptation du procédé de fonderie à la spécificité du produit La température de l alliage La thermique du moule La thermique des précurseurs Le mode de remplissage Exemple influence de la température de l alliage : (Plaque de 200x180x10 mm précurseurs Ø 5mm, outillage coquille gravité) 900 C 850 C 800 C

Maîtrise des paramètres du procédé Difficultés Les difficultés majeures sont de garantir: Régularité de l empilage des précurseurs Homogénéité de l infiltration par l alliage Facteurs influents Par ordre d importance: Facteurs thermiques Facteurs hydrauliques Simulation

Simulation numérique : Outil d aide à la maîtrise des paramètres du procédé Problématique 1 Empilage plus ou moins anarchique des précurseurs incompatible avec un travail nécessitant une modélisation du problème. Tâche n 1: Recherche d un motif représentatif de l empilage. Etape n 1: Caractérisation dimensionnelle des précurseurs par étude statistique. Etape n 2: Choix de la maille d empilage. Etape n 3: Modélisation de l empilage.

Simulation numérique : Outil d aide à la maîtrise des paramètres du procédé Problématique 1 Empilage plus ou moins anarchique des précurseurs incompatible avec un travail nécessitant une modélisation du problème. Tâche n 2: Validation du motif représentatif de l empilage. Ecart inférieur à 0,5% Etape n 2: Mesures de la masse volumique. O Pesée des précurseurs. K Etape n 1: Ecart inférieur à 10%

Simulation numérique : Outil d aide à la maîtrise des paramètres du procédé Problématique 2 TC1 CF1 CF2 CF3 CF4 CF5 L outil de simulation numérique nécessite une connaissance rigoureuse des paramètres thermohydrauliques de chaque matériau utilisé. Tâche n 3: Mesure de λ, ρ et Cp du matériau constitutif des précurseurs. Simulation Tâche n 4: Validation des données thermo-hydrauliques en fonction de différents paramètres de coulée. Numerique calee TC2 CF6

Simulation numérique : Outil d aide à la maîtrise des paramètres du procédé Problématique 3 Combien de temps ai-je pour remplir ma pièce? Le remplissage est possible tant que le métal est liquide. Précurseur Tâche n 5: Déterminer le temps de Système remplissage de remplissage de la mouse. est dimensionné en fonction : Etape n 1: Déterminer l épaisseur équivalente de la mousse. Alliage e mousse = f(ø bille ; empilage) Etape n 2: 1- Ø bille ; 2- empilage ; 3- paramètres de coulée. Mesures du temps de solidification. t r = f(e mousse ; paramètres de coulée)

Simulation numérique : Outil de prédiction de la santé de la mousse Objectif La simulation numérique permet: La compréhension du remplissage Une prédiction des mal-venues actions correctives avant de réaliser la pièce Principe 1 ) Modélisation de l empilement de précurseurs (d après observations éprouvettes) 2 ) Simulation du remplissage Outils mis en oeuvre CATIA PAM-QUIKCAST Principe et outils

Simulation numérique : Outil de prédiction de la santé de la mousse Résultats Bonne prédiction (zones de défauts de remplissage) réel Simulation

Applications mousses métallique Enquête NPL (National Physical Laboratory) Sur 70 réponses Industrial Survey Results Sources: http://www.npl.co.uk

Applications industrielles des mousses métalliques Mousse de nickel Employée dans les batteries support d électrode de batteries Ni-MH (portables) Sources: http://www.recemat.com/ Densité 0,4 g/cm 3 Porosité 95 % Taille cellules Sources: http://www.incospp.com Production annuelle (Inco) 4 000 000 m 2

Applications mousses métallique Différentes mousses métalliques (bibliographie 2005 sur un centaine d articles) Autres (Gasar, composite,etc.) 9% Mousses Nickel 9% Structures cellulaires 4% Répartition par type Mousses métalliques 19% Mousses d'aluminium 59%

Gain de poids But obtenir un matériau léger et rigide Exemple 1 Panneaux arrières de Mercedes SLK ou CLK Deux réalisations AFS Alulight Sources: Advanced Engineering materials 2002

Gain de poids, exemple 1 Solution AFS (Alu Foam Sandwich) Emboutissage du sandwich (tôle alu 1mm ; précurseur 1,4 mm ; tôle d alu 1mm) non moussé à la forme désirée) Moussage Finition (trous et découpes) Sources: Advanced Engineering materials 2002

Gain de poids, exemple 1 Solution Alulight Panneau réalisé pour roadster Mercedes Benz SLK Monté et testé évaluer comportement mécanique / panneau de série, en magnésium coulé sous pression. Densité 0,5 g/cm3 épaisseur 8mm contre 3,5mm pièce origine en magnésium. Matériau précurseur mis dans le moule Moule chauffé (température de fusion de l aluminium) Moule (2 ½ coquilles) de 170 Kg 5 pièces fabriquées temps de moussage 30 mn. Sources: http://www.lkr.at Résultats (tests de torsion) satisfaisants, très proches pièce d origine en magnésium.

Gain de poids, exemple 2 Support d une plateforme mobile Procédé AFS Gain 95 kg/ solution acier Sources: Advanced Engineering materials 2004

Gain de poids, exemple 3 Montants pour machines outil Traverses fraiseuse et machine à découper au laser avec sandwiches (acier mousse d'aluminium acier). Epaisseur : Tôles d'acier 3 mm, mousse 29 mm mesures : 1178 x 1182 x 35 mm Sources: Metall, 09/2003 Composant centre usinage (mousses d aluminium et structures sandwich)

Gain de poids, Position de la mousse CTIF CTIF (0,95) Sources: Workshop on Metal FoamsNPL Workshop on Metal Foams - 22nd March 2000 La densité est imposée par le procédé

Absorption d énergie But utiliser la déformation de la mousse pour absorber l énergie Exemple 1 Utilisation interface directe passager mousse (impact de tête sur un montant avant) Mousse d aluminium issue de technique de métallurgie des poudres (LKR). Alliages particuliers (Al Si12) Sources: Advanced Engineering materials 2002 Critère mesuré (HIC Head Injury Criterion) fonction de la densité et de la structure de la mousse La densité la meilleure pour cet emploi est de 0.4 g/cm3.

Absorption d énergie Exemple 2 crash box Pièces de forme généralement simple, cylindrique ou prismatique, avec ou sans renfort extérieur (métallique ou matière plastique) Procédé CTIF Dans ce domaine CTIF a développé des prototypes pour un équipementier automobile. Les résultats techniques sont satisfaisants (Absorption d énergie conforme à l attente client) On recherche un plateau déterminé (voir les caractérisations) avec des contraintes de dimensionnement

Remplissage de forme creuse Pièces existantes comportant des formes creuses remplacer le vide (noyau sable) par de la mousse d aluminium (noyau en mousse d aluminium structure à cellules fermées) But: Améliorations au niveau de l absorption d énergie lors d un choc. Gain de rigidité à poids constant. Diminution des vibrations et/ou du bruit. On recherche à utiliser les vides pour optimiser la forme et le poids

Remplissage de forme creuse Exemple1 noyau Alulight Procédé Alulight Sources: Aluminium 12/1999

Remplissage de forme creuse Exemple 2 pièce BMW Procédé Metcomb Bullage d air, réalisation moulage BP Sources: Advanced Engineering materials 2002

Acoustique et vibratoire Exemple 1 Mousse Alporas absorbation de bruit sur construction Sources: Workshop on Metal FoamsNPL Workshop on Metal Foams - 22nd March 2000

Acoustique et vibratoire Exemple 2 Réalisation d une pièce prototype mousse CTIF Pièce industrielle existante présentant des problèmes de vibrations et de résonnance. La solution à adopter doit permettre une parfaite liaison entre la mousse et les toiles en aluminium solution 2 (pas de surmoulage et donc pas d oxyde entre mousse et toile) solution 1 solution 2

Acoustique et vibratoire Exemple 2 (suite) Démonstrateur prototype mousse CTIF

Thermique Deux possibilités Isolation / protection Echange Mousse d aluminium (plutôt structure fermée): Contient de l air (isolant) Résiste à des températures beaucoup plus élevées que les mousses organiques Présente de bonnes caractéristiques mécaniques Mousse d aluminium stucture ouverte uniquement Présente une surface spécifique importante (fonction inverse de la taille des cellules) Le matériau de base (aluminium) conduit naturellement bien la chaleur.

Thermique transmission de chaleur Exemple1 Echangeurs ERG Duocell Sources: http://www.ergaerospace.com heat exchanger, anti-slosh baffle (pressure tank ) heat pump for a solar powered

Thermique transmission de chaleur Exemple2 Echangeurs prototype CTIF Mousse d aluminium CTIF En cours de mise au point, Objectif répondre à la demande d un équipementier automobile pour une application spécifique confidentielle Par rapport au produit existant il faut Diminuer le diamètre des cellules jusqu à 3 mm environ augmenter la surface spécifique Réaliser un premier prototype Mettre au point le process de réalisation (fabrication, infiltration et retrait des précurseurs)

Thermique transmission de chaleur Echangeurs prototype CTIF Exemple 2 (suite) Démonstrateur prototype mousse CTIF

Electrique Exemple1 Prototype CTIF Mousse d aluminium CTIF Objectif répondre à la demande d un équipementier automobile pour tester le produit en vue d une application spécifique électrique 5 mm 10 mm 15 mm

Comparatif de coût des mousses d aluminium Elément essentiel qui conditionne la mise en œuvre des mousses d aluminium. Potentiel avéré de ces nouveaux matériaux le prix élevé des produits interdit leur emploi industriel. Notamment pour l automobile où pourtant les applications potentielles sont nombreuses en absorption de chocs. Il est très difficile d obtenir les prix réels des produits car il n existe pas de très grosses productions. Les prix indiqués dans le tableau sont à considérer comme des ordres de grandeur. Les productions commercialisées le sont toutes sous forme de demi-produits en mousse.

Comparatif des mousses d aluminium Société Shinko Wire Company ALULIGHT Cymat ERG Aerospace INTERNATIONAL GMBH (hydro) CTIF Matériau (nom) Alporas Alulight SAF Duocell Aluminium foam Site internet www.shinko-wire.co.jp/ www.alulight.com/ www.cymat.com/ http://www.ergaerospace.com www.ctif.com Sources: http://www.npl.co.uk Matériaux similaires FOARMINAL, ALU FOAM, AFS METCOMB Matériau Al Al Al-SiC Al Al et alliages Al Structure Fermée Fermée Fermée Ouverte Ouverte Densité (Mg/m³) 0.2-0.25 0.3-1.0 0.07-0.56 0.16-0.25 0.84-1 Densité relative 0.08-0.1 0.1-0.35 0.02-0.2 0.05-0.1 0.30 0.40 Résistance à la 10-16 1.3-1.7 1.9-14.0 0.04-7.0 0.9-3.0 compression (MPa) Chaleur spécifique en cours 830-870 910-920 830-870 850-950 (J/kg.K) Conductivité en cours 3.5-4.5 3.0-35 0.3-10 6.0-11 thermique (W/m.K) Résistivité (ohm.m en cours 210-250 20-200 90-3000 180-450 EXP -08) Coût (année)en / kg 70 (2000) 30 (2004) 10 (2000) 900 (2004) en cours d'estimation

Comparatif de coût des mousses d aluminium Objectif Produit CTIF

Répartition des coût en métallurgie des poudres métallurgie des poudres, les coûts annoncés se répartissent ainsi : 60 % pour le matériau précurseur ; 20 % pour les moules ; 15 % pour la fabrication ; 5 % de divers. Sources: http://www.lkr.at

Caractérisation de la mousse CTIF (Densité) Densité Défauts Fonction de 2 paramètres Régularité empilage Evolution de la masse volumique avec l usinage Densité = 1,07 g/cm 3 1,07 g/cm 3 0,84 g/cm 3 Masse volumique en g/cm 3

Caractérisation de la mousse CTIF (Structure) La structure se caractérise, à l échelle macrographique par: Une forme régulière des cellules, liée aux formes homogènes des précurseurs Une densité en parois fonction de la qualité de l empilage des précurseurs Des communications entre les pores.

Caractérisation de la mousse CTIF (Compression) Particularité du comportement à la compression La mousse présente un plateau absorption d énergie à faible contrainte et grande déformation. L énergie dissipée (en J) peut être assimilée à l aire sous la courbe de compression. Pour les applications en absorption d énergie : Un plateau le plus constant possible Un pic initial le plus faible possible Alliage Al Si7Mg courbe de com pression (précurseurs 10mm) 70 60 50 Partie 1 Partie 1 déformation élastique linéaire (un pic) Contrainte (Mpa) 40 30 20 Partie 2 Partie 3 Partie 2 Plateau Partie 3 Densification 10 0 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Déformations (%)

Caractérisation de la mousse CTIF (Compression) Essais de compression Formation de fissures (initiées sur défauts de structure) Plans de fissures à 45 / à l axe de compression Détachement de morceaux de mousse Fluctuations sur contrainte plateau Précurseurs de 5mm Echantillon Al Si7Mg diamètre 60 x 150 mm 150000 Force (N) 100000 50000 Mini Maxi 0-20 0 20 40 60 80 100 120 Déplacement (mm)

Influence du diamètre des cellules (Compression) Effet de l augmentation de la taille des cellules Essais réalisés sur éprouvettes cylindriques (diamètre 60 x 150 mm) en Al Si7Mg Effet de pic en fonction du diamètre des précurseurs Dispersion sur la valeur plateau en fonction du diamètre des précurseurs Energie absorbée en fonction du diamètre des précurseurs 100000 50000 6000 95000 45000 40000 5000 90000 85000 35000 30000 25000 4000 3000 80000 20000 15000 2000 75000 70000 5 10 15 Diamètre des précurseurs en mm 10000 5000 0 5 10 15 Diamètre des précurseurs en mm 1000 0 5 10 15 Diamètre des précurseurs en mm

Influence de la forme de l échantillon (Compression) Paramètres étudiés Section éprouvette (ronde/carrée) Longueur 80 mm ou 150 mm Alliage Al Si7Mg éprouvettes rondes diam ètre 60 m m Contrainte (Mpa) Constatations 70 60 50 40 30 20 10 0 Influence de la longueur A dimension égale (60 mm) comportements profils ronds et carrés très proches 150 mm 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Déform ations (%) 80 mm Ep ro uvet t e 8 0 mm Ep ro uvet t e 150 mm Longueur du plateau plus importante dans le cas d un échantillon plus élancé

Mousses CTIF et renfort extérieur Remède au cisaillement de la mousse lors de la compression maintien dans une peau Tube rapporté ou peau de fonderie Mousse Al seule Tube acier vide (40x40x250 mm e=1,5 mm) Tube acier rempli (mousse Aluminium)

Mousses CTIF et renfort extérieur 120000 Caractérisation mousse d'aluminium (éprouvette 40x40x250 mm) Flambage 100000 Cumul réel Tube Mousse Force en N 80000 60000 40000 20000 Cumul théorique 0 0 20 40 60 80 100 120 Déplacement en mm tube seul mousse seule tube + mousse

Mousses CTIF et renfort extérieur Peau de fonderie (Solution 1) Meilleure tenue de la mousse lors de l écrasement (pas de détachement) Rupture de la peau au cours de l essai fonction de la nature de la peau Résistance à la compression des mousses d'aluminium CTIF alliage Al Si13 précurseurs 10mm Résistance en Mpa 100 80 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 120 140 Distance en mm mousse seule Avec paroi

Mousses CTIF et renfort extérieur Tube d aluminium Essais complémentaires (en cours) Autres matériaux (tube aluminium gaine plastique) Autres formes

Mousses CTIF et renfort extérieur Gaine plastique

Mousses CTIF et renfort extérieur Comparaison sur mousses d'aluminium 50.00 45.00 40.00 35.00 Bonne tenue de la mousse avec gaine Pas de pic sur mousse avec gaine, pic important sur mousse avec tube Contrainte en Mpa 30.00 25.00 20.00 mousse Avec gaine Tube alu 15.00 10.00 5.00 0.00 0.0% 10.0% 20.0% 30.0% 40.0% 50.0% 60.0% 70.0% 80.0% 90.0% 100.0% déformation en %

Mousses CTIF Influence de la vitesse de compression 3m/s σ 1m/s 1mm/s ε

Mousses CTIF résultats conductivité électrique

Mousses CTIF Résultats conductivité thermique Comparatifs entre aluminium et mousse d aluminium Source de chaleur Température=K Echant. Aluminium (même alliage) Source de chaleur Température=K Echant. Mousse d alu Flux thermique Flux thermique Thermocouples Thermocouples

Mousses CTIF Résultats conductivité thermique Comparatifs avec et sans mousse d aluminium Flux d eau T 1, t1 T 1 T 2 Echangeur thermique avec mousse d aluminium Flux d eau T 1 T 2 Bloc refroidi avec mousse d aluminium Echangeur thermique sans mousse d aluminium

Résultats Mousses CTIF Résultats conductivité thermique

Mousses CTIF Prédiction de comportement Démarche: Etablissement de deux modèles (1 statique et un dynamique) Caractérisations: Modèle statique: essai de compression quasi-statique (OK) Modèle dynamique : essais de compression à différentes vitesses de déformation (A caractériser) Modèle statique FOAM1 Modèle dynamique DYMAT26

Mousses CTIF Prédiction de comportement σ 1mm/s Modèle statique FOAM1 : Loi de comportement issue d un essai de compression quasistatique ε

Mousses CTIF Prédiction de comportement Facteur multiplicatif K de la courbe contraintes / déformation Hypothèse retenue précédemment: K=2 pour dε/dt=10-2 ms -1 Figure 1 : Dépendance à la vitesse de déformation. ε (ms -1 ) σ A caractériser 3m/s 1m/s 1mm/s Modèle dynamique DYMAT26 Loi de comportement issue d essais de compression à différentes vitesses de déformation : A caractériser ε

Mousses CTIF Prédiction de comportement Comparaison réalité/modèles Essais de compression quasi-statique

CONCLUSIONS Mousses d aluminium CTIF Caractéristiques mousses d aluminium CTIF Répétabilité de la forme des cellules (précurseurs sphériques) Production de formes complexes,grande dimensions, peau de pièce Réalisation sur une même pièce parties mousse/ zones pleines Facilité de recyclage par l utilisation d alliages traditionnels Procédé applicable aux technologies de fonderie conventionnelles Masse volumique obtenue de l ordre de 1 g/cm3 Capacité d absorption d énergie de 9 à 12 J/cm3.

CONCLUSIONS Mousses d aluminium CTIF Suite du développement Caractérisations respectives de l empilage des précurseurs et des défauts de fonderie Mise au point de l agglomération des précurseurs sur des formes complexes Détermination des règles de fonderie sur des formes complexes Optimisation de la fabrication, de l agglomération et de l élimination des précurseurs. Caractérisations complémentaires 2006 Développements en cours et/ou réalisés sur prototype automobile (équipementiers européens) CTIF